基因组编辑前沿技术：应用、生物安全与伦理——香山科学会议第495次学术讨论会综述
二十一世纪的生命科学研究已经进入基因组时代。随着越来越多的物种测序完成，解读基因组的功能、破译记载生命奥秘的“天书”，就显得日益重要而紧迫。同时，对基因组功能的解读与对基因的修饰和改造，对于人类深刻认识自我和丰富的自然界、人类疾病的预防与治疗、动植物的性状改良与新品种培育等诸多领域将产生不可估量的推动作用。而无论是解读基因组，还是基因的修饰和改造，都离不开基因组编辑技术（genome editing）。进入本世纪以来，锌指核酸酶（ZFN）、转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）、成簇的规律间隔的短回文重复序列及其相关系统（CRISPR/Cas system，或称Cas9/gRNA system）等人工核酸内切酶（engineered endonuclease，简称EEN）修饰改造技术逐渐兴起，并迅速成为满足上述要求的新一代基因组编辑技术，在生命科学基础理论研究、经济物种的遗传改良，以及人类健康等领域掀起了一场颠覆性的革命。该类技术通过EEN识别并切割基因组上的特定DNA序列，造成靶位点产生双链断裂（DSB），然后借助于细胞内的非同源末端连接（non-homologous end joining，简称NHEJ）或同源重组（homologous recombination，简称HR）修复机制实现对基因组指定区域的定点突变或精确修饰改造。EEN技术连续两年（2012、2013）被《科学》评选为“十大科学突破”之一。
我国的科研工作者已经在该领域做出了一系列有影响力的前沿性工作，先后在《细胞》、《自然·生物技术》、《美国科学院院报》等国际顶尖学术期刊发表高水平论文。由于这项技术显示出巨大的应用前景，许多国家已经开始加大在该领域的各项投入，力图占领该项技术发展和应用的制高点。同时，这项技术的应用也不可避免地带来有关产业结合、IP风险、社会伦理、生物安全等深层次的问题。因此，在这项颠覆性生物技术蓬勃发展的时刻，我们亟需抓住这个难得的历史机遇，整合国内的各方力量，明确这项技术的前沿发展方向、重点应用领域、潜在风险与挑战，以及科学家自律机制等，从而利于国家层面的整体设计和引导，加强各方的交流和配合，促进这项技术的健康发展和应用，以保持并提升我国在该领域的核心竞争力。为此，香山科学会议于2014年5月10~12日在北京召开了以“基因组编辑前沿技术：应用、生物安全与伦理”为主题的第495次学术讨论会。北京大学和中国科学院水生生物研究所朱作言教授、美国佐治亚理工学院包刚教授、北京大学张博教授担任会议执行主席。来自国内外20余个单位的近40名专家学者应邀参加了会议。与会专家围绕“新一代基因组编辑技术的崛起与发展趋势”、“新一代基因组编辑技术与生命科学基础理论研究”、“新一代基因组编辑技术与经济发展及社会伦理”、“新一代基因组编辑技术与生物安全”等四个中心议题进行了学术交流和深入讨论，并提出了意见和建议。
美国麻省理工学院张锋教授作了题为“Genome engineering：technologies and applications”的主题评述报告，介绍了上述三种类型的EEN的工作原理和发展历程，以及在人类细胞系、多种模式生物中的应用，强调了该技术在功能基因组学研究、人类疾病模型的构建、基因治疗等方面巨大的应用前景。
美国明尼苏达大学Daniel F. Voytas教授作了题为“Precise engineering of plant genomes with sequence-specific nucleases”的主题评述报告，重点介绍了EEN技术在植物中的应用，强调了该技术对现代农业的重要意义。针对利用该技术制造的育种材料是否属于转基因的问题，Voytas教授认为，基因敲除及少于30个碱基的基因修饰产品都不应列入转基因范畴。
针对主题评述报告的内容，与会专家进行了热烈的讨论，问题主要集中在TALEN和CRISPR/Cas系统的效率及应用范围方面。TALEN的优势在于其特异性较高，跟靶序列的结合活性更好；CRISPR/Cas系统则更易于构建，二者各有所长，应根据不同的研究目的灵活应用。
一、新一代基因组编辑技术的崛起与发展趋势
题为“Treating human diseases using engineered nucleases: opportunities and challenges”的中心议题评述报告，指出人类遗传性疾病中有很多是单基因缺陷疾病，而目前还没有很好的办法治疗这些疾病。应用EEN技术进行基因修复（gene correction），将有可能解决这一难题。为了实现这个目标，人工核酸酶的特异性至关重要。其实验室的工作主要致力于评估TALEN和 CRISPR/Cas靶向诱变的特异性，同时对基因修复的准确性及安全性进行深入研究，从而为临床实验奠定必要的基础。
题为“TALEN与Cas9/gRNA系统在斑马鱼中的应用与优化”的专题报告介绍了研究团队创建的一种简单的TALEN构建方法，同时对Cas9/gRNA系统进行了优化，使其在斑马鱼中的诱变效率显著提高；在斑马鱼中创建了包括同源重组精确修饰等一系列基于TALEN和CRISPR/Cas系统的基因组靶向修饰方法。指出TALEN和Cas9/gRNA技术在位点偏好性、特异性、效率等诸方面的规律仍有待深入研究，以便最终提高该技术对任意靶点的适用性以及打靶效果的可控性和可预测性。
在讨论环节，专家们关注的热点主要集中在如何提高同源重组的效率。大家认为应该与研究DNA损伤修复的专家开展密切合作，深入研究HR及NHEJ途径的选择与作用机制。此外，在技术开发和应用的过程中产生的专利申请和知识产权保护也是专家们关心的议题，认为应该通过进行大规模的合作研究来保持中国在该领域的领先地位，同时寻找技术突破点，体现创新性。例如，系统敲除某个家族的全部基因，在后GWAS时代使用合适的模式生物构建疾病模型，或者进行作物改良，甚至对微生物进行改造、解决能源问题。
二、新一代基因组编辑技术与生命科学基础理论研究
题为“鱼类基因组操作：从细胞核移植到单个染色体全基因敲除”的中心议题评述报告中回顾了中国鱼类遗传育种的研究历史，指出我国在鱼类克隆、人工高效繁殖和生育控制技术等领域具有领先的优势，为我国淡水渔业的发展做出了重大贡献，也为国家粮食安全提供了重要保障。新一代高效基因组编辑技术必将大大促进安全、高效的鱼类品种改良工作。报告进一步展望了基因组编辑技术的应用前景，认为在基础研究方面，构建特定基因的敲除或转基因模型，将大大有助于认识生命的本质；在应用方面，建立各类人类疾病的精确模型，有助于进行疾病的机理研究和治疗；同时还可以应用于经济动物的快速定向育种，促进人民生活水平的提高。
专家们讨论的焦点集中于以下三点：EEN技术在物种间及种内不同品系间的效率差异，认为染色体结构及修饰可能是导致差异的原因之一；脱靶（off-target）效应的检测及分析，认为可以根据研究目的对脱靶位点的承受能力来灵活选择检测方法和深度；HR的研究尚不完善，依然有较大的优化潜力，有可能通过优化供体序列（donor）来提高效率。
三、新一代基因组编辑技术与经济发展及社会伦理
题为“利用基因组编辑技术设计农业动物新品种”的中心议题评述报告指出，将新技术运用到动物品种的改良上，将有力地推动我国畜牧业的发展。随着各种重要动物基因组测序计划的开展和完成，泛基因组时代已经到来，这有利于发现同一物种中不同品系独特的优质基因，将它们组合起来，产生融合多种优良性状的新品种。由于传统遗传杂交的育种方式周期过长，并且连锁现象有可能阻滞基因的导入，因此，新技术的诞生会为这一目标带来颠覆性的影响，使得短时间内在某一品系中集成多个优质基因成为可能，能够极大加速品种改良的进程。
在题为“基因编辑：细胞和动物模型的新视野”的专题报告中指出，应将新技术运用到单倍体胚胎干细胞中，开展大规模研究。专家认为TALEN和CRISPR/Cas等不同的技术之间没有真正意义上的优劣之分，关键是如何在具体案例中运用合适的技术解决实际的问题。
讨论中，专家们关注的问题主要集中在以下几点：在建立疾病模型方面，认为可以选择中国人特有的几种重要疾病，选择合适的模式动物和突变形式，与细胞层面的药物筛选机制研究相结合，联合攻关；在物种改良方面，最好选用自然存在的突变形式加以整合，同时避免优良性状之间的冲突；在创新性方面，认为应当发挥自身优势，从小的成果做起，善于观察和积累，首先做到行业内领先，同时注意对自己的创新成果进行保护。
四、新一代基因组编辑技术与生物安全
题为“CRISPR-Cas系统在植物中的应用和完善”的中心议题评述报告，着重介绍了将CRISPR/Cas技术引入到植物系统的难点及采取的相应优化措施，强调该技术是对现有的植物突变技术的一个巨大补充。目前该技术已经成功地在包括水稻、烟草等6个植物中实现了定点基因敲除，相信随着技术的进一步发展，CRISPR/Cas技术将在整个植物系统中得到全面的应用。
讨论中，专家们集中于如何为新一代基因组编辑技术在育种领域的应用寻找合适的定位。大家一致认为，该技术应视为是在传统诱变育种的基础上发展出来的新技术，在安全性上与传统的诱变育种技术更具有可比性——两者在本质上都相当于人工诱变技术，都只是加速了自然突变的进程。而这项新的育种技术比传统的诱变育种精确性更高、周期更短。由于该项新技术可以不依赖于外源DNA序列的导入，通过该技术获得的遗传修饰的生物材料，实际上与自然界长期进化形成的各类天然多态性个体相比不存在本质区别。目前美国政府已于2012年批准了首个基因组定向修饰获得的植物材料，可以直接作为常规品种进行田间评价。虽然最后的材料中没有引入任何外源基因，但由于育种过程中涉及到类似基因工程的步骤，这在一定程度上可能会影响公众的接受度，因此需要对这项技术进行慎重命名和科普解释。同时，科研工作者和产业主体应建立行业的自律标准并加强向公众的宣传，树立负责任的科学家形象，促进该技术的产业化与健康发展。
五、会议总结与专家建议
与会专家围绕新一代基因组编辑技术发展战略进行了热烈和深入的讨论，达成如下共识与建议：
1. 创新、改进与优化新一代基因组编辑技术迫在眉睫。虽然目前该领域的专利大部分被国外垄断，在走向应用的过程中，该技术本身仍亟待改进与完善，特别是在提高基因组靶向修饰的精度与效率、降低脱靶效应、提高特异性等方面，有很大的提升空间；这对于我国是一个难得的机遇，我们一定不能错失良机。我国急需加强顶层设计，整合分散的研究，联合其它相关领域的科研工作者集中攻关，创建原创性的全新技术及具有自主知识产权的衍生技术，以扭转该领域的专利大部分被国外垄断的被动局面。这方面的成果将直接决定我国未来在这场技术与应用的革命中是否能化被动为主动，是否能争取到足够的话语权。
2. 推动新一代基因组编辑技术的广泛创新应用刻不容缓。这项技术进入产业化已是大势所趋，它必将对农牧渔业生产、粮食安全、医疗健康产业等国计民生产生重大而深远的影响，其潜在经济效益更是不可估量。目前美国、欧洲已有多家公司在该领域先行启动了商业化运作，多家政府部门也在酝酿之中。这无疑是我国开展以应用为导向、面向国家重大需求、推进产学研一体化共同发展的科技创新的良好契机。目前急需国家出台相关政策，鼓励企业与科研单位密切合作，利用这项技术开展有中国特色的、国家急需的、直接关系国计民生的应用研究。例如，针对中国特有的一些疾病来构建疾病模型、尝试新的治疗方案。
3. 规范新一代基因组编辑技术的应用势在必行。这项新技术不可避免地会带来生物安全与社会伦理等诸多关系到国计民生的问题，为抢占先机，建议国家有关部门尽快制订相关政策，按照不同应用领域的具体情况，制订相应的行业使用规范与指南，以促进该技术在应用领域的良性发展。例如，在农作物和家禽家畜育种方面，应明确该项技术与转基因技术的异同，将两者区别对待，分别管理。可以考虑将监管的重点放在最终的产品，如果在最终产品中并没有引入外源基因，而只是造成了内源基因在序列上的小范围改变，或者只是模拟了自然界本来就存在的某种突变，或者是通过自然杂交或诱变育种的方式可以获得的突变，可以考虑将基于这一技术制造的生物材料进行登记管理、作为常规育种材料对待。在具体操作层面上，也可以学习美国的方式，即转基因管理机构拒绝对这类材料进行管制，从而自然实现这类材料的常规化应用。
4. 开展新一代基因组编辑技术方面的深度交流与资源共享至关重要。建议在以下几个方面建立学术交流和资源共享机制：（1）定期组织全国性的学术会议，为一线青年科学工作者提供深度交流的机会。（2）建立新一代基因组编辑技术的资源共享平台。例如，建立由产业界牵头、学术界做顾问的基因组编辑技术国家工程中心，实现该技术的低价甚至免费流水线化服务，从而避免重复性平台建设，让各个实验室更专注于重大科学问题的思考和解决，从而在整体上实现国家有限科研资源的优化配置、术业专攻、高效利用。（3）成立一个从事基因组编辑技术及应用研究的科学家的联盟性组织，发挥团队的力量，一方面有利于建立该领域科研工作者的行业信誉，取得社会的信任，另一方面有利于作为一个整体争取我国在该领域国际上的话语权，在国际竞争中彰显中国的实力。
